Eftersom fysik är studien av hur materie och energiflöde är lagen om bevarande av energi en nyckelidé för att förklara allt som en fysiker studerar, och hur han eller hon studerar det.
Fysik handlar inte om att memorera enheter eller ekvationer, utan om ett ramverk som styr hur alla partiklar uppträder, även om likheterna inte är tydliga i en överblick.
Den första lagen för termodynamik är en omfördelning av denna energibesparingslag när det gäller värmeenergi: Den interna energin i ett system måste vara lika med summan av allt arbete som utförts på systemet, plus eller minus värmen som strömmar in eller ut ur systemet.
En annan välkänd bevarandeprincip i fysik är lagen om bevarande av massa; som du kommer att upptäcka är dessa två bevarandelagar - och du kommer att introduceras för två andra här också - närmare besläktade än vad som möter ögat (eller hjärnan). Varje studie av universella fysiska principer bör stödjas av en översyn av de tre grundläggande rörelsereglerna, som hamrade i form av Isaac Newton för hundratals år sedan. Dessa är:
Lagarna för bevarande i fysik gäller matematisk perfektion i endast verkligt isolerade system. I vardagen är sådana scenarier sällsynta. Fyra konserverade kvantiteter är massmängd, energimängd, momentum Massan är bara mängden materia av något, och när det multipliceras med den lokala accelerationen på grund av tyngdkraften är resultatet vikt. Massa kan inte mer förstöras eller skapas från grunden än energi kan. Momentum är produkten av ett föremålets massa och dess hastighet (m · v). I ett system med två eller flera kolliderande partiklar förändras aldrig det totala momentumet i systemet (summan av objektets individuella momenta) så länge det inte finns friktionsförluster eller interaktioner med externa kroppar. Vinkelmoment (L) är bara momentumet kring en axel för ett roterande objekt, och är lika med m · v · r, där r är avståndet från objektet till rotationsaxeln. Energi visas i många former, vissa mer användbara än andra. Värme, den form där all energi i slutändan är avsedd att existera, är den minst användbara när det gäller att använda den till ett användbart arbete och är vanligtvis en produkt. Lagen om energibesparing kan skrivas : KE + PE + IE \u003d E där KE \u003d kinetisk energi \u003d (1/2) mv 2, PE \u003d potentiell energi (lika med mgh när tyngdkraften är den enda kraftverkande, men sett i andra former), IE \u003d intern energi, och E \u003d total energi \u003d en konstant. All energi i universum uppstod från Big Bang, och den totala mängden energi kan inte förändras. Istället ser vi kontinuerligt energiförändrade former, från kinetisk energi (rörelseenergi) till värmeenergi, från kemisk energi till elektrisk energi, från gravitationell potentiell energi till mekanisk energi och så vidare. Värme är en speciell typ av energi ( termisk energi Detta betyder att en gång en del av energin från ett system omvandlas till värme, det kan inte lika enkelt återföras till en mer användbar form utan tillförsel av ytterligare arbete, som tar extra energi. Den våldsamma mängden strålningsenergi som solen släpper ut varje sekund och kan aldrig på något sätt återanvända eller återanvända är ett ständigt bevis på denna verklighet, som kontinuerligt utvecklas över hela galaxen och universum som helhet. En del av denna energi "fångas upp" i biologiska processer på jorden, inklusive fotosyntes i växter, som gör sin egen mat och tillhandahåller mat (energi) för djur och bakterier, och så vidare. Det kan också fångas av produkter från människoteknik, till exempel solceller. Gymnasieelever på gymnasiet använder vanligtvis cirkeldiagram eller stapeldiagram för att visa den totala energin i systemet som studeras och för att spåra dess förändringar. Eftersom den totala mängden energi i pajen (eller summan av höjden på staplarna) inte kan förändras, visar skillnaden i skivor eller stapelkategorier hur mycket av den totala energin vid en given punkt är en eller annan form av energi. I ett scenario kan olika diagram visas på olika punkter för att spåra dessa förändringar. Observera till exempel att mängden värmeenergi nästan alltid ökar, vilket representerar avfall i de flesta fall. Om du till exempel kastar en boll i en 45-graders vinkel är initialt all sin energi kinetisk (eftersom h \u003d 0), och sedan vid den punkt där bollen når sin högsta punkt, är dess potentiella energi som en andel av den totala energin högst. Både när den stiger och när den sedan faller, är en del av dess energi omvandlas till värme som ett resultat av friktionskrafter från luften, så KE + PE förblir inte konstant under hela detta scenario, utan minskar istället medan total energi E fortfarande är konstant. (Sätt in några exempel på diagram med paj- /stapeldiagram som spårar energiförändringar Om du håller en bowlingboll på 1,5 kg från ett tak 100 m (cirka 30 våningar) över marken kan du beräkna dess potentiella energi med tanke på att värdet av g \u003d 9,8 m /s 2 och PE \u003d mgh: (1,5 kg) (100 m) (9,8 m /s 2) \u003d 1 470 Joule s (J) Om du släpper bollen ökar dess noll kinetiska energi mer och snabbare när bollen faller och accelererar. I det ögonblick som det når marken, måste KE vara lika med värdet på PE i början av problemet, eller 1 470 J. Just nu är det KE \u003d 1,470 \u003d (1/2) mv 2 \u003d (1/2) (1,5 kg) v 2 Om man inte antar någon energiförlust på grund av friktion, gör att mekanisk energi kan bevaras v Fysikstudenter kan förvirras av den berömda massenergi-ekvationen (E \u003d mc 2) och undrar om den trotsar lagen om bevarande av energi (eller bevarande av massa), eftersom det innebär att massa kan omvandlas till energi och vice versa. Det bryter inte faktiskt med någon av lagarna eftersom det visar att massa och energi faktiskt är olika former av samma sak. Det är på samma sätt som att mäta dem i olika enheter med tanke på de olika kraven från klassiska och kvantmekaniska situationer. I värmedöd av universum, enligt den tredje lagen i termodynamik, kommer all materia att ha omvandlats till termisk energi. När denna energiomvandling är klar kan inga fler transformationer äga rum, åtminstone inte utan ytterligare en hypotetisk singulär händelse som Big Bang. En "perpetual motion machine" (t.ex. en pendel som svänger med samma tidpunkt och svepning utan att någonsin sakta ner) på jorden är omöjligt på grund av luftmotstånd och tillhörande energiförluster. För att hålla gizmo igång skulle det krävas en inmatning av externt arbete vid någon tidpunkt och därmed besegra syftet.
och vinkelmoment
. De tre sista av dessa faller under mekanikens uppfattning.
Energitransformationer och energiformer
Exempel på energiöverföring
) eftersom den, som nämnts, är mindre användbar för människor än andra former.
Spårning av energibesparing |
Kinematik Exempel: Free Fall
, vilket visar sig att vara 44,3 m /s.
Vad om Einstein?
The Perpetual Motion Machine?
